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SPDA: Fenomenologia: Tipos de descarga atmosférica
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Existem oito tipos de descargas atmosféricas entre nuvem e terra.
Estes tipos estão divididos em dois grupos: o grupo das descargas
que fecham o circuito e o grupo das descargas que não curto-circuitam
a nuvem com o solo.
Figura:
Tipos de descargas atmosféricas
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- Já ouviu falar no "raio-bola".
- É um tipo de descarga atmosférica em formato de esfera.
- É um fenômeno atmosférico ainda sem explicação.
- Difícil de medição e de se fotografar.
- É um tipo de descarga atmosférica em formato de esfera.
- É um fenômeno atmosférico ainda sem explicação.
- Difícil de medição e de se fotografar.
- O raio-bola aparece em florestas e montanhas, pessoas já sofreram queimaduras pelo raio bola.
- O raio-bola pode sumir tranquilamente ou causar uma pequena explosão.
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\begin{align} R(t) = \frac {1} {\pi \sigma a^2(t)} &\text{ [Ω]} \end{align}
\begin{align} a(t) = 0,93 \rho_0^{-1/6} i^{1/3}(t) t^{1/2} &\text{ [m] - raio geométrico do canal} \end{align}
\begin{align} \rho_0 = 1,29 \times 10^{-3} \text{ [g/cm}^3 \text{] - densidade do ar na pressão atmosférica} \end{align}
\begin{align} \sigma = 10.000 &\text{ [S/m]} \end{align}
► SPDA: Descarga atmosférica em Júpiter
- Além de Júpiter é sabido que nas atmosferas de Vênus e de Saturno também ocorrem descargas atmosféricas.
- Descargas atmosféricas em Júpiter já foram fotografadas.
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► SPDA: Fenomenologia 7 - corona
- A descarga atmosférica como um fenômeno natural é cheiro de variáveis e de parâmetros aleatórios. Para simplificar e proporcionar uma avaliação e previsão de seus efeitos apenas os aspectos principais são selecionados. Entre estes aspectos estão o comprimento do canal, a distribuição de carga na nuvem, a carga na nuvem, o ponto de fechamento do circuito, o terra e o corona. O corona efeito corona que aparece em linhas de transmissão de alta-tensão também está presente em descargas atmosféricas. Este corona (ou coroa como preferem os portugueses, já que corona significa coroa em latim) é formado durante o líder, já visto aqui anteriormente (ver: SPDA – Líder passo a passo – fenomenologia 2), como a descarga começa de cima para baixo o corona na parte de cima é mais largo do que em baixo, porque teve mais tempo para se formar. A carga elétrica armazenada nesta coroa é significativa e tem forte influência na forma de onda da corrente de retorno. A figura mostra um modelo para descargas atmosféricas nuvem-terra com início na nuvem, próximo a nuvem a corona tem vários metros de diâmetro e na base centímetros.
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► SPDA: Fenomenologia 6 – Resistência da descarga atmosférica
- O canal da descarga atmosférica é condutor e tem uma resistência. Esta resistência é da ordem de 3,0 Ω/m e menor. Esta resistência depende de vários fatores como o grau de ionização do ar dentro do canal e do diâmetro do canal. O grau de ionização do ar age na resistividade e o diâmetro do canal na resistência já que a resistência de um condutor cilíndrico é calculada por: R = 1/(πσa2), σ resistividade do material condutor. Como a corrente de retorno tem a forma de uma soma de duas exponenciais, ver a figura a seguir, o ar dentro do canal do raio vai ser aquecido a medida que a corrente de retorno vai passando, quando mais aquece mais o ar se expande. Desta forma, a variação do diâmetro do canal vai ser como a equação mostrada a seguir, o valor inicial da resistência interna do canal é de 3,0 Ω/m.
\begin{align} R(t) = \frac {1} {\pi \sigma a^2(t)} &\text{ [Ω]} \end{align}
\begin{align} a(t) = 0,93 \rho_0^{-1/6} i^{1/3}(t) t^{1/2} &\text{ [m] - raio geométrico do canal} \end{align}
\begin{align} \rho_0 = 1,29 \times 10^{-3} \text{ [g/cm}^3 \text{] - densidade do ar na pressão atmosférica} \end{align}
\begin{align} \sigma = 10.000 &\text{ [S/m]} \end{align}
Aplicação: A relevância de se conhecer a resistência do raio está em conhecer a impedância deste e utilizar em modelos (cálculos) de interação da descarga atmosférica com aviões, edificações e outros veículos. A impedância do canal da descarga atmosférica e a impedância do aterramento influenciam nas reflexões e portanto nas emissões de campo eletromagnético. Conhecer estas reflexões e campos torna possível projetar os equipamentos de teste, os veículos e as edificações adequadamente para estarem protegidas contra as descargas atmosféricas.
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►SPDA: Fenomenologia 5 – Trovão
- Já na antiga Grécia, Aristóteles (385 a.C. – 322 a.C.) dava seus pitacos a respeito do trovão, Aristóteles foi aluno de Platão e professor de Alexandre, o Grande. Trombada entre nuvens é o que não forma o trovão. Quando é fechado o circuito entre as duas concentrações de cargas elétricas opostas nas extremidades do canal do raio surge a corrente de retorno (var: Descarga Atmosférica – Fenomenologia 1). A corrente de retorno pode atingir até 200 kA, isto é, de uma corrente praticamente nula no canal ionizado da descarga atmosférica passa rapidamente a 200 kA, esta variação ocorre entre 0,1 μs e 1,0 μs. Com o efeito joule há uma enorme variação de calor repentina e o ar aquecido se expande rapidamente. Este ar quente colidi com o ar frio da atmosfera que circunda o canal da descarga atmosférica, formando uma onda de choque sonora. Quando um avião supersônico passa a barreira do som fora uma onda de choque sonora, causando aquela grande explosão, aliás já presenciada em Belém quando o Concorde passou a barreira do som próximo a cidade e no Rio de Janeiro quando jatos supersônicos da FAB foram interceptar aviões durante a guerra das Malvinas.
- Como sabemos a corrente elétrica vai veloz pelo condutor, com velocidade próxima a da luz, isto significa que o trovão é um enorme bangue, muito curto. Ai você pergunta: porque tenho ouvido trovão com vários segundos de duração? Para quem está distante poucos metros do canal vai ouvir o bangue, mas para quem está a um quilômetro vai ouvir em uns três segundos após o clarão a onda de choque da base do canal e durante alguns segundos mais o som da onda de choque das partes mais altas do canal. A velocidade do som é de 350 m/s o que significa se o canal do raio tem 5.000 m de comprimento a duração do trovão vai ser de uns 15 s. A velocidade do som varia com a temperatura e nas altas camadas da atmosfera o som se propaga mais de vagar, tudo isto influencia no som do trovão e na sua duração.
Velocidade aproximada do som no ar: v = 331,3 + 0,6T [m/s]
onde T é a temperatura do ar em oC.
Figura: Nesta figura a pessoa que ouve o trovão está a 1 km da base do raio.
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► SPDA: Fenomenologia 4 – Canal da descarga atmosférica
- O canal por onde passa a corrente da descarga atmosférica é formado durante o líder passo a passo (ver: SPDA – Líder passo a passo – fenomenologia 2), neste processo de abertura o ar é ionizado, isto é, moléculas de ar têm um elétron arrancado, o que faz do ar um condutor, e um bom condutor. Este canal inicial aberto pelo líder têm um diâmetro de aproximadamente 1,0 mm. Ocorre que quando o líder fecha o circuito entre a nuvem e o solo (ou entre duas nuvens etc.) têm acumulado no canal de 1,0 mm e na corona uma grande quantidade de carga, e esta carga flui rapidamente por este estreito canal no fechamento do circuito. Como sabemos por medições, a corrente logo após o fechamento do circuito pode chegar até 200.000 A em menos de 1,0 μs, esta corrente libera muito calor por causa do efeito joule, ri2, duzentos mil ao quadrado é um número muito grande e a resistência inicial do canal da descarga é da ordem de 1,0 Ω/m, a temperatura do canal da descarga atmosférica chega até 30.000 oC.
- Na próxima será sobre o trovão.
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- A descarga atmosférica está dividida em algumas etapas, que são:
► SPDA: Fenomenologia 3 – Raio eletrogeométrico
Líder passo a passo (ver: SPDA: Líder passo a passo – fenomenologia 2)
- No processo de propagação do líder passo a passo, a distância que um passo pode atingir está diretamente relacionada ao acumulo de carga na ponta do canal já aberto. Esta carga na ponta gera um campo elétrico em todas as direções, com equipotenciais esféricas. Da ponta do canal até um certo valor do campo elétrico, Ec, haverá uma ionização e centelhamento da carga na ponta do canal a até esta equipotencial com campo elétrico Ec. Isto forma uma bola de ar ionizado. O próximo passo a ser criado vai ser uma descarga da ponta do canal até um ponto na superfície desta esfera.
- Terminado a criação do novo passo, o canal fica mais longo e mais carga elétrica virá da nuvem para a ponta do novo passo. E ai um outro passo será formado. Isto prossegue até fechar o circuito.
- A figura seguinte ilustra a região dentro do limite estabelecido pela distância de descarga de um líder descendente. O próximo passo do líder poderá terminar em qualquer ponto da esfera mostrada.
- A partir desta esfera é que se projeta e constrói SPDAs externos.
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► Descarga Atmosférica – Fenomenologia 3
- As descargas atmosféricas nuvem-terra podem ser subdivididas em oito tipos diferentes, sendo que as de maior número são as negativas de origem nas nuvens e a positiva de origem nas nuvens são de maior intensidade. Observar que as negativas de origem na nuvem a corrente sobe, por causa da convenção de corrente positiva. Para a descarga positiva de origem nas nuvens a corrente desce para o solo. Estas descargas positivas são raras, podendo chegar a 340.000 A.
- Notar que nem toda descarga atmosférica fecha o circuito entre a nuvem e o solo.
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► Descarga Atmosférica – Fenomenologia 1
- A descarga atmosférica está dividida em algumas etapas, que são:
- Pré-descarga
- Líder passo à passo
- Corrente de retorno
- Corrente intermediária
- Corrente contínua
- Corrente de retorno subsequente
► SPDA: Líder passo a passo – fenomenologia 2
- Em aproximadamente 80% das descargas atmosféricas entre a nuvem e o solo estas se iniciam na nuvem. A descarga abre caminho para o solo a partir da nuvem em pequenas descargas de aproximadamente 50 m de comprimento. Notar que em laboratórios não consegue-se produzir descargas de 30 m ou mais. Ao estar próxima do solo inicia-se uma descarga do solo para a nuvem, também por passos, que acaba por fechar o circuito entre nuvem e terra.
- É baseado neste processo é que se obteve e se quantificou a esfera eletrogeométrica.
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► SPDA: Sistema de localização de descargas atmosféricas
- Um sistema mínimo de localização de raios consiste em quatro antenas que localizam a posição de uma descarga atmosférica nuvem-terra por triangularização. São utilizadas quatro antenas para melhor localizar o raio. Inicialmente este sistema foi montado pela CEMIG e podia mapear Rio de Janeiro, norte de São Paulo e Minas Gerais. Atualmente o sistema é nacional contando com várias antenas.
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